管網(wǎng)檢漏及相關(guān)測漏技術(shù)的理論與應(yīng)用

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一、緒論

　　1.1課題的提出及研究意義

　　我國是個水資源大國,但從人均這個角度看,我國又是一個嚴(yán)重缺水的國家,人均占有水量只有225立方米,僅為世界人均水量的1/4,居世界第110位[1]。根據(jù)水利部《21世紀(jì)中國水供求》分析,2010年我國總需求水量在中等千旱年為6988億立方米,缺水318億立方米。這表明,2010年后我國將開始進(jìn)入嚴(yán)重缺水期。盡管如此,用水嚴(yán)重浪費(fèi),無論工農(nóng)業(yè)用水,還是生活用水,“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象隨處可見。漏水問題已成為我國這個古老民族走向不斷進(jìn)步的心腹之患。

　　1.2管道泄漏檢測技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　建國以來,各地供水公司一直在開展漏水調(diào)查工作。配備有簡單的儀器設(shè)備, 以管道事故搶修為主,漏水調(diào)查靠經(jīng)驗,管道漏水控制效果不好。近幾年,各地供水公司相繼引進(jìn)了不少發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)漏水檢測設(shè)備,并根據(jù)自身狀況也成立了相應(yīng)的檢漏隊伍,專門從事漏水控制工作,但總體上來看和發(fā)達(dá)國家還有一定的差距。

　　各個有關(guān)檢漏公司根據(jù)實際情況,常使用的檢漏方法有:被動檢漏法、主動檢漏法、大地濕度檢驗法、水質(zhì)檢驗法、區(qū)域流量測定法、管內(nèi)調(diào)查法、紅外線照相法、示蹤氣體探測法、地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)檢漏法、聽音檢漏法、聲波檢漏法、相關(guān)檢漏法等。其中聽音檢漏法和相關(guān)檢漏法是目前應(yīng)用最廣、效果最好的檢漏技術(shù)。

　　二、漏水聲的傳播及漏水檢測的方法

　　2.1供水管道漏水聲的種類及傳播

　　發(fā)生漏水時,噴出管道的水與漏口摩擦,以及與周圍介質(zhì)等撞擊,會產(chǎn)生不同頻率的振動,由此產(chǎn)生漏水聲。漏水聲的種類通?？煞譃槿N:

　　(1)漏口摩擦聲

　　(2)水頭撞擊聲

　　(3)介質(zhì)摩擦聲

　　2.2供水管道檢漏的主要方法

　　目前我國通常采用被動檢漏法,音聽檢漏法或相關(guān)檢漏法,有些水司也采用了漏水聲自動監(jiān)測法或分區(qū)檢漏法。

　　2.2.1音聽檢漏法

　　音聽檢漏法分為閥栓聽音和地面聽音兩種,前者用于查找漏水的線索和范圍;后者用于確定漏水點(diǎn)位置。

　　漏點(diǎn)預(yù)定位是指聽漏棒、電子聽漏儀及噪聲自動記錄儀來探測供水管道漏水的方法,根據(jù)使用儀器的不同,預(yù)定位技術(shù)主要有閥栓聽音法和噪聲自動監(jiān)測法。

　　2.2.2壓力差法

　　根據(jù)泄漏前后管線內(nèi)壓力的變化進(jìn)行檢測。這種方法與流量平衡法一樣,一般只適用于大漏量的泄漏檢測。

　　2.2.3分區(qū)檢漏法

　　在管道聽檢漏水聲時,一般說來,漏點(diǎn)大產(chǎn)生的漏水聲比漏點(diǎn)小產(chǎn)生的漏水聲要大一些,但漏點(diǎn)大到一定程度漏水聲反而小了,因此,我們不能認(rèn)為聽到的漏水聲大,其漏水量就大,有時實際情況正好相反。分區(qū)檢漏法使漏水點(diǎn)按漏水量大小分類成為可能。

　　用流量計進(jìn)行分區(qū)檢漏時,首先關(guān)閉與該區(qū)相連的閥門,使該區(qū)與其他區(qū)分離,然后用一條消防水帶一端接在被隔離區(qū)的消火栓上,另一端接到流量計的測試裝置上;再將第二條消防水帶一端接在其他區(qū)的消火栓上,另一端接到流量計的測試裝置上,最后開啟消火栓,向被隔離區(qū)管網(wǎng)供水。借助于流量計,測量該區(qū)的流量,可得到某一壓力下的漏水量,如果有漏水,可通過依此關(guān)/開該區(qū)的閥門,可發(fā)現(xiàn)哪一段管道漏水。

　　采用分區(qū)檢漏法檢漏的優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)能迅速排除大的漏水點(diǎn);

　　(2)系統(tǒng)地測試,可進(jìn)行管網(wǎng)狀況分析;

　　(3)用所測流量與正常流量比較,可以發(fā)現(xiàn)漏水的早期跡象。

　　2.2.4相關(guān)檢漏法

　　相關(guān)檢漏法是當(dāng)前最先進(jìn)最有效的一種檢漏方法,特別適用于環(huán)境干擾噪聲大、管道埋設(shè)太深或不適宜用地面聽漏法的區(qū)域。用相關(guān)儀可快速準(zhǔn)確地測出地下管道漏水點(diǎn)的精確位置。

　　一套完整的相關(guān)儀主要是由一臺相關(guān)儀主機(jī)(無線電接收機(jī)和微處理器等組成)、二臺無線電發(fā)射機(jī)(帶前置放大器)和二個高靈敏度振動傳感器組成。

　　三、供水管線相關(guān)檢漏技術(shù)研究

　　3.1相關(guān)儀的工作原理

　　在預(yù)計漏點(diǎn)兩側(cè)各找到一個管線裸露點(diǎn),并在上面各放一個傳感器,接收由漏點(diǎn)處傳播過來的漏水聲波信號,并將其轉(zhuǎn)換成電信號,通過無線或有線傳播到相關(guān)儀主機(jī)內(nèi),對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,數(shù)字濾波處理后,進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,求出漏水聲波到達(dá)兩傳感器間的時差,再根據(jù)輸入的兩傳感器間的距離及管道速度,按公式L(D-VTD)/2 (L為漏點(diǎn)到近傳感器的距離,D為兩傳感器間的距離,V為漏水聲波在管道中的傳播速度,TD為時差)即可計算出漏點(diǎn)位置。

　　3.2主要參數(shù)的選取

　　3.2.1 速度參數(shù)

　　根據(jù)漏點(diǎn)計算公式:L=(D-VTD)/2可知,漏點(diǎn)位置與兩傳感器間的距離D、速度V及時差TD有關(guān)。一般距離D誤差不大,且距離差△D米,影響漏點(diǎn)位置的誤差為△D/2 米,所以由于D引起的誤差可以控制在最小的范圍內(nèi);ID為由相關(guān)儀計算出的時差,在濾波器設(shè)計合理的情況下,ID誤差可達(dá)到最小。理論和實踐證明,速度是影響定位精度的主要因素。

　　3.2.2 濾波器參數(shù)

　　雖然相關(guān)儀在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算時,對環(huán)境的隨機(jī)干擾信號具有一定的壓制作用,由于放大器一般采用浮點(diǎn)放大方式,放大器增益隨著信號強(qiáng)弱變化,信號強(qiáng)增益小,信號弱增益大。當(dāng)環(huán)境噪音較大,漏水聲波信號能量很低,放大器增益小,很難拾取漏水聲波信號,往往不能確定出漏點(diǎn)的位置。此時必須設(shè)置合理的濾波器,濾掉各種干擾信號。

　　3.3相關(guān)儀的工作特點(diǎn)

　　相關(guān)儀是通過裝設(shè)在泄漏管線兩端的傳感器接受漏水所產(chǎn)生的連續(xù)的不規(guī)則振動音,根據(jù)兩傳感器間的距離、聲音到達(dá)的時間差、振動音傳播速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計算,求得漏水點(diǎn)的位置。

　　3.3.1相關(guān)儀的運(yùn)用具有以下優(yōu)點(diǎn)

　　(1)在困難環(huán)境中的作業(yè)能力較強(qiáng),如大口徑管道,噪音充斥,深度埋設(shè)的管線等都可進(jìn)行作業(yè);

　　(2)比一般的音響探測法靈敏度高;

　　(3)在單一的調(diào)查中可以發(fā)現(xiàn)數(shù)個泄漏;

　　(4)容易操作,不須過于依賴操作者的技巧。

　　3.3.2相關(guān)儀的操作限制:

　　相關(guān)儀在操作中也有一些限制:適用于尋找疑難漏水點(diǎn),而不適用于巡查漏水。有效檢漏長度也有一定要求:金屬管不宜超過200m;非金屬管則更短。

　　由于目前聲學(xué)檢漏儀器設(shè)備主要還是根據(jù)金屬管道的特性來研發(fā)的,而非金屬管道與金屬管道的傳聲特性有很大差異,非金屬管道的傳聲能力遠(yuǎn)不及金屬管道,同時發(fā)生在非金屬管道上的漏水噪聲的主頻成分與金屬管道也不同,主要為低頻。所以非金屬管道的檢漏工作相對來說比較困難。

　　四、小結(jié)

　　對于泄漏檢測定位的理論研究工作經(jīng)過幾十年的發(fā)展也有很大的進(jìn)展。而利用聲學(xué)的理論和方法檢測泄漏并對其進(jìn)行定位一直吸引人們的興趣,主要因為其效率高,費(fèi)用低,因此得到廣泛的應(yīng)用。筆者認(rèn)為今后利用聲學(xué)互相關(guān)分析技術(shù)進(jìn)行檢漏的發(fā)展方向為以下幾個方面:

　　(1)建立一個合適的管道泄漏模型是利用聲學(xué)互相關(guān)分析解決管道泄漏檢測的核心。這必須通過大量的理論和實踐工作。

　　(2)發(fā)展高精度、高靈敏度、抗干擾的傳感技術(shù)對泄漏聲信號進(jìn)行可靠的穩(wěn)定的捕捉。

　　(3)采用合理的信號處理方法和泄漏源的定位算法。

　　可以相信,有廣泛的應(yīng)用背景,有許多可以采用的研究手段,利用聲學(xué)互相關(guān)檢漏的技術(shù)一定會得到深入的發(fā)展。